ENSAYO APLICACIONES FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

Autor(es): Lizeth Nathaly Porras Rodríguez, Henry Leonardo Jeréz Bedoya, Angie Nathalia
Villate Camargo
FENÓMENOS DE TRANSPORTE APLICADOS A SISTEMAS BIOLÓGICOS
Actualmente los fenómenos de transporte constituyen una rama desarrollada y evolutiva de la
física que ha trascendido en muchas áreas de las ciencias aplicadas, con tanta importancia como
relevancia que se consideran “elementos fundamentales que desarrollaron el universo y que son
responsables del éxito de toda la vida en la tierra” [1], partiendo de esta premisa, podríamos afirmar
que los fenómenos de transporte han estado presentes en los sistemas biológicos más complejos
existentes en la naturaleza, si bien algunos de éstos fenómenos son la termorregulación y la
perfusión, indispensables para el funcionamiento de los seres vivos, sería interesante entonces
profundizar en éstas aplicaciones para resolver ¿cuál es el factor determinante de los fenómenos
de transporte en los sistemas biológicos?, ¿hasta qué nivel de complejidad biológica llegan a operar
éstos fenómenos?, y por último y no menos importante ¿cuál ha sido el efecto que han tenido los
fenómenos de transporte en la historia de los organismos vivos?, cuestiones que nos ayudarán a
comprender un poco más el aporte de los fenómenos de transporte en los sistemas biológicos.
El dominio de los fenómenos de transporte comprende tres temas estrechamente relacionados:
dinámica de fluidos, transmisión del calor y transferencia de materia, en ausencia de reacciones
químicas se diferencian en cuatro tipos principalmente: conductividad eléctrica, conducción
térmica, viscosidad y difusión, con fuerzas impulsoras generadas por diferenciales según su
propiedad transportadora. A su vez, estos fenómenos se analizan en tres grados diferentes: grado
microscópico, grado microscópico y nivel molecular. Cada uno de los fenómenos anteriormente
mencionados tiene amplias aplicaciones en casi todos los campos del saber y responden a muchas
incógnitas planteadas sobre el funcionamiento de los sistemas.
El hombre es curioso por naturaleza y esa curiosidad ha causado que se resuelvan muchas
preguntas sobre los fenómenos que rigen el mundo, entre ellas, se logró comprender por qué se
mantenía la temperatura de un organismo en equilibrio aun cuando experimentaba cambios
ambientales gracias a un fenómeno llamado “termorregulación”, definido hoy como “un proceso
natural de activación de mecanismos centrales y periféricos que tienen como objetivo mantener la
homeostasis corporal y las funciones vitales estables”[2]
En el cuerpo humano, el hipotálamo es el encargado de regular la temperatura a través de un
proceso de transferencia de calor a través de mecanismos fisiológicos, por ejemplo, si la
temperatura se eleva, el hipotálamo aumenta la circulación de la sangre disipando calor a través
de la piel y a su vez permite el enfriamiento del cuerpo gracias a la evaporación de gotas por la
sudoración, si por el contrario la temperatura disminuye, se emprende un proceso de tiritación o
temblor para generar calor.
La regulación de la temperatura corporal obedece entonces a uno de los fenómenos
mencionados anteriormente: conducción por calor, donde se puede dar la transferencia por cuatro
mecanismos diferentes de intercambio, estos son conducción, convección, evaporación y
radiación. Si por ejemplo, la piel entra en contacto con un objeto frío o cálido se dará un
intercambio por conducción, para el caso de convección ocurre la transferencia de calor al aire que
rodea la piel, causando que el aire caliente ascienda y sea reemplazado por aire más frío; la
radiación es la transferencia de calor a través de ondas infrarrojas, por ejemplo, cuando el sol
calienta la piel y finalmente la evaporación se da por evaporación del agua la cual conlleva una
gran cantidad de energía de la piel por la dificultad del cambio de estado del agua. La fuerza
impulsora de la conducción por calor es el gradiente de temperatura, es decir, los mecanismos de
intercambio mencionados se basan en la propiedad del calor de poder fluir desde concentraciones
altas a bajas de temperatura, cabe resaltar que este fenómeno aplica no solo para el cuerpo humano
sino para cualquier organismo biológico termorregulador.
Entre los temas que comprenden los fenómenos de transporte mencionamos la dinámica de
fluidos, la cual se encarga de estudiar los fluidos en movimiento, podríamos tratar de explicar
entonces cómo es el comportamiento de la sangre en el sistema cardiovascular, uno de los sistemas
biológicos más interesantes del cuerpo humano. Para comprender este fenómeno mencionaremos
una ciencia nueva llamada Reología, disciplina que se ocupa del flujo y deformaciones de
materiales sometidos a la acción de fuerzas mecánicas. Como fenómeno de transporte la reología
sanguínea caracteriza las propiedades físicas del flujo en la sangre, medidas por parámetros como
la viscosidad sanguínea, la viscosidad plasmática, la deformabilidad de los glóbulos rojos, entre
otras. Esta aplicación es muy importante hoy en día para los investigadores, ya que se ha vuelto
un instrumento de diagnóstico preventivo para las enfermedades cardiovasculares.
La viscosidad plasmática depende de la concentración de proteínas plasmáticas y ésta
determina la viscosidad sanguínea, debido a la concentración celular de la sangre y por las
deformaciones y la agregación de glóbulos rojos [3], esto sucede porque a nivel de vasos donde el
flujo sanguíneo es lento, los agregados de los glóbulos rojos se forman de manera regular, lo que
ocasiona una hiper-viscosidad, por el contrario, cuando la velocidad del flujo sanguíneo aumenta
los glóbulos rojos se disocian y la viscosidad disminuye. Es decir, que la velocidad del flujo
sanguíneo juega un papel determinante en la viscosidad de la sangre. Desde el punto de vista de
los fenómenos de transporte mencionados, la viscosidad es un transporte de cantidad de
movimiento donde tenemos como fuerza impulsora un diferencial de velocidad, que como
mencionamos es esencial para el sistema cardiovascular.
En nuestro día a día llevamos a cabo una gran cantidad de procesos que se llevan a cabo en el
cuerpo humano, hablemos del proceso que en este justo momento todos estamos haciendo, la
respiración, pues gracias a una serie de mecanismos podemos tomar el oxígeno que está presente
en nuestro ambiente y llevarlo hasta la sangre, un óptimo proceso de respiración es vital para suplir
las necesidades de este micronutriente en el organismo. El sistema respiratorio se puede
descomponer en una serie de compartimientos como la caja torácica, las vías respiratorias y el
tejido pulmonar [4], en el tejido pulmonar es donde se lleva a cabo la difusión de oxígeno
permitiendo su paso por la membrana alveolo-capilar, dicha membrana tienen una dimensión de
unas pocas décimas de micras de grosor y es un sistema en el que gracias a los gradientes de
presión es posible atravesarla para luego hacer el intercambio con el dióxido de carbono.
La sangre se transporta por los capilares pulmonares difundiendo los gases a través de la
membrana alveolo-capilar en ambos sentidos, un proceso bastante complejo ya que estamos
hablando de intercambio de desechos como el CO2 por el oxígeno simultáneamente, es un
intercambio de materia a escala micro con gradientes de concentración como fuerza impulsora y
lo podemos entender gracias al estudio de los fenómenos de transporte, su aplicación en este
sentido es clave para entender el funcionamiento del sistema respiratorio; en este proceso no solo
se lleva a cabo la difusión , también podemos analizar el fenómeno de la perfusión , este consiste
en el paso de un líquido a través de un tejido, como transporte en el organismo la perfusión
sanguínea garantiza la llegada de sangre con CO2 de los tejidos, esto mantendrá el gradiente de
presiones entre el capilar y el alveolo, lo que permitirá el paso del mismo al gas alveolar [5].
El proceso de perfusión sanguínea mantiene el gradiente de presión y así se conserva el
equilibrio del proceso entre el O2 y el CO2, este proceso se rige principalmente por la ley de Fick
la cual establece que la difusión de oxígeno es inversamente proporcional al grosor de la membrana
y directamente proporcional a la superficie de intercambio y al gradiente de presiones parciales a
cada lado de la membrana [6]. En la red capilar alveolar, la sangre fluye de forma casi laminar,
con baja resistencia, facilitando el intercambio gaseoso, como el oxígeno tiene una baja solubilidad
en el plasma, es el flujo eritrociario específicamente y no la totalidad de la sangre, el que determina
la entrega de oxígeno; la capacidad de transporte de oxígeno del eritrocito, facilitado por la
hemoglobina, es esencialmente convectivo, intercambio mencionado anteriormente en la
termorregulación con la diferencia que en la perfusión sanguínea hablamos de gradientes de
concentración y presión.
El transporte de sustancias tiene un rol importante en los sistemas biológicos, otra aplicación
interesante es el transporte celular y como hemos mencionado es necesario que exista un gradiente
que sirva como fuerza impulsora, para el transporte celular se requiere el paso en contra de un
gradiente de concentración (gradiente químico) o en contra un gradiente eléctrico de presión
(gradiente electroquímico)[7], es decir, el paso de sustancias desde un medio poco concentrado a
un medio muy concentrado, principio que hemos mencionado anteriormente sobre los fenómenos
de transporte. Los mecanismos de transporte son muy importante para el correcto funcionamiento
celular, ya que permite regular las concentraciones de iones en la célula, la carga eléctrica y el
mantenimiento del potencial de la membrana, entre otros aspectos.
Uno de los mayores enigmas del ser humano es el funcionamiento del cerebro, entender cómo
una red neuronal puede comandar el funcionamiento de todo nuestro organismo; el cerebro como
principal órgano del sistema nervioso central, lleva a cabo el transporte de impulsos nerviosos que
son responsables del pensamiento, la memoria, las emociones, el habla y el lenguaje y está
compuesto de neuronas sensoriales que captan la información de los sentidos y neuronas motoras
que transmiten mensajes entre el cerebro y el resto del cuerpo. Los impulsos nerviosos son señales
eléctricas transmitidas a través de las neuronas , esto se genera gracias a la diferencia de moléculas
cargadas químicamente tanto dentro como fuera de las neuronas, gracias a estos impulsos podemos
codificar imágenes en el cerebro, diferenciar sonidos, cumplir acciones motoras, pensar y todo lo
que respecta a funciones sensoriales, este proceso se lleva a cabo gracias a que los impulsos
eléctricos se producen en presencia de iones los cuales tienen carga positiva como el Na+ y el K+
y carga negativa como el Cl-, esto se lleva a cabo entre neurona y neurona, formando una compleja
red de estímulos donde diversas sustancias químicas actúan como transmisoras de señales entre
una neurona y otra. Esta red de sistemas químicos, superpuesta a la de circuitos neuronales del
cerebro, añade una nueva dimensión a la función cerebral” [8]
Las sustancias químicas transmisoras de señales son proteínas especiales llamadas canales y
permiten el libre paso de los iones en cantidades y velocidades increíblemente altas”[9], los iones
tienden a transportarse de donde hay mayor a menor concentración y también se movilizan
respetando un gradiente eléctrico, los aniones se intercambian con los cationes ya que entre iones
de carga positiva se van a repeler , estos principios se engloban como un gradiente electroquímico
y esto permite que los iones se transporten a lo largo de la estructura neuronal y terminen en el
polo contrario al que inició el impulso nervioso, de esta manera podemos procesar la información.
El fenómeno de conducción eléctrica observado en la sinapsis nerviosa funciona como analogía
de la ley de Ohm, la cual cuenta con una diferencia de potencial para permitir el transporte, esta
diferencia de potencial se debe a la existencia de gradientes de concentración iónica en el sistema
neuronal.
Ahora que hemos visto algunas de las aplicaciones de los fenómenos de transporte en los
sistemas biológicos podemos deducir que el factor determinante es su propiedad transportadora
así como su fuerza impulsora, además si bien se ven afectados por las condiciones externas, son
determinados principalmente por el propio organismo. Podemos comprobar también que los
fenómenos de transporte alcanzan niveles de complejidad biológica sorprendentes como el
transporte de las células, los impulsos eléctricos, la reología sanguínea, así como el control de la
temperatura propia del organismo. Finalmente, podemos afirmar que los fenómenos han tenido un
efecto omnipresente en la historia de los organismos vivos, es decir, siempre se han manifestado
y son responsables de gran parte del funcionamiento de procesos vitales para sistemas biológicos
como el circulatorio, respiratorio, nervioso, entre muchos otros.
REFERENCIAS
[1] J. Plawsky, Transport Phenomena Fundamentals (Chemical Industries Series). , pp. 1, 2,
3,2001. ISBN 978-0-8247-0500-8.
[2] A. López, Actualidad en Termorregulación. Pensar en Mov Rev Ciencias del Ejerc y la
Salud, 2014 [En línea]. Disponible en:
http://revistas.ucr.ac.cr/index.php/pem/article/view/14918/18749. [Accedido: 01 de Abril
de 2020]
[3] J. Levenson. Reología Sanguínea y Riesgo. Archivos Venezolanos de Farmacología y
Terapéutica, 2000 [En línea]. Disponible en:
http://ve.scielo.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S079802642000000100002&lng=es&tlng=es. [Accedido: 02 de abril de 2020]
[4] A. Jhonson y P. Schreuders. Teaching Transport Phenomena in Biological Systems,
Universidad de Maryland, Vol. 15, No. 4, pp. 249±255, 1999 [En línea] Disponible en:
https://www.ijee.ie/articles/Vol15-4/ijee1082.pdf [Accedido: 02 de abril de 2020]
[5] Universidad de Valencia, Tema 4: Fenómenos de Transporte, Química Física Avanzada,
p.p 18, 2009 [En línea] Disponible en:
http://ocw.uv.es/ciencias/3-2/tema_4_fen_trans.pdf [Accedido: 03 de abril de 2020]
[6] E. Guzmán, E. Rodríguez y F. Fernández. Oxigenación Tisular, p.p 7 [En línea]
Disponible en:
http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/williamsoler/oxigenacion_1_2.pdf [Accedido: 04 de
abril de 2020]
[7] Colaboradores de EcuRed, 'Transporte celular', EcuRed, , 16 julio 2019, 00:57 UTC, [En
línea] Disponible en:
https://www.ecured.cu/index.php?title=Transporte_celular&oldid=3459801 [Accedido:
04 de abril de 2020]
[8] L. Iversen. Química del Cerebro. Rev Investigación y Ciencia N° 38, 1979 [ En línea]
Disponible en:
https://www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/el-cerebro38/qumica-del-cerebro-289 [Accedido: 05 de abril de 2020]
[9] A. Guyton, J. Hall. Tratado de Fisiología Médica. 12a Ed. Ed. Elsevier. Barcelona (2011)
[En línea] Disponible en:
https://infotiti.com/2018/07/como-se-transmite-el-impulso-nervioso/ [Accedido: 05 de
abril de 2020]